CN105910627A - 用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器 - Google Patents

Abstract

用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，属于空间飞行器的视觉导航技术领域。本发明是为了解决视觉导航敏感器的现有动态测试方法存在的试验成本高及误差标定过程复杂的问题。它包括高频红外激光器、光学系统、光源探测器光纤支架、光源探测器光纤、图像输出器、直线位移机构、光学平台、支架、控制器和动力学计算机，动态模拟器与动力学计算机和视觉导航敏感器以快装方式构成闭环系统，用于飞行控制半物理仿真试验验证；控制器从动力学计算机接收飞行器的6个自由度数据，经过数据处理和控制系统计算得到目标在视觉导航敏感器上的坐标，利用映射关系模型得到目标在动态模拟器图像输出器上的坐标。本发明用于空间视觉导航敏感器的视觉导航。

Description

用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器

技术领域

本发明涉及用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，属于空间飞行器的视觉导航技术领域。

背景技术

视觉导航敏感器是实现空间复杂操作的关键装置。在空间飞行器交会对接、飞行器抓捕、停泊和维修等空间任务中，需要使用视觉导航敏感器对飞行器本体或其执行机构，如机械臂等进行导航和控制。

由于视觉导航敏感器研制难度大，测量精度要求高，对空间光环境要求高，工作时间长，所以在视觉导航敏感器正式执行飞行任务前要对其进行充分的地面测试和验证。

视觉导航敏感器是空间飞行器与目标相对位置和姿态的测量单元，也是飞行控制系统的反馈单元。视觉导航敏感器动态模拟器可以为视觉导航敏感器提供动态激励源，使飞行控制系统可以完成闭环仿真测试和验证。

视觉导航敏感器是空间飞行器或空间飞行器搭载的执行机构在与目标处于逼近阶段的全过程中对目标的相对位置和姿态进行测量的一类光学敏感器。对视觉导航敏感器的功能和性能的测试和验证的方式有三种，分别是静态测试验证、半物理仿真测试验证和全物理仿真测试验证。静态测试验证只能在若干个别工况条件下对视觉导航敏感器进行测试验证，不能实现动态性能测试验证，也不能和动力学计算机构成闭环仿真测试系统。使用9自由度转台和12自由度气浮台可以对视觉导航敏感器进行动态测试，但试验准备时间长，需要对转台的执行误差进行标定，试验过程中误差来源复杂，试验成本高。

发明内容

本发明目的是为了解决视觉导航敏感器的现有动态测试方法存在的试验成本高及误差标定过程复杂的问题，提供了一种用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器。

本发明所述用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，它包括高频红外激光器、光学系统、光源探测器光纤支架、光源探测器光纤、图像输出器、直线位移机构、光学平台、支架、控制器和动力学计算机，

直线位移机构和支架均设置在光学平台上，支架用于固定视觉导航敏感器；高频红外激光器、光学系统、光源探测器光纤支架、光源探测器光纤和图像输出器均设置于直线位移机构上；光源探测器光纤支架用于固定光源探测器光纤，光源探测器光纤支架位于光学系统输出端的前端，光源探测器光纤支架的轴线与光学系统的轴线重合；高频红外激光器用于为图像输出器提供成像照明；视觉导航敏感器的主光轴与光学系统的主光轴相对应，动力学计算机和控制器通过通信接口连接；

控制器包括敏感器照明光源探测器，该敏感器照明光源探测器通过光源探测器光纤检测视觉导航敏感器内部光源的启动与关闭；

动态模拟器启动阶段，图像输出器未被照明时，控制器接收动力学计算机输出的目标飞行器的模拟6自由度信息D_i，并进行计算获得目标飞行器在视觉导航敏感器像平面上的坐标，再通过映射关系模型得到目标飞行器在图像输出器上的坐标；控制器再根据计算获得的目标飞行器在图像输出器上的坐标生成目标飞行器图像，并在图像输出器上显示；控制器通过光源探测器光纤检测获得视觉导航敏感器内部光源的启动时刻，同时控制高频红外激光器启动照明，使高频红外激光器输出的光束经过匀化后照射在图像输出器上，光束经图像输出器反射后经过光学系统产生平行光束并在视觉导航敏感器像平面上成像，控制器同时控制图像输出器显示目标飞行器图像的时间，实现图像输出器的有效图像输出与视觉导航敏感器内部光源的照明同步；然后，视觉导航敏感器对图像输出器的反射光束实时生成图像，并对该生成图像进行计算，获得目标飞行器的实时6自由度信息D_o，动力学计算机将模拟6自由度信息D_i和实时6自由度信息D_o进行比较，通过计算二者的偏差评价视觉导航敏感器的功能，并在连续工作中对视觉导航敏感器的动态性能进行测试；最后，控制器再通过光源探测器光纤检测视觉导航敏感器内部光源的关闭时刻，控制高频红外激光器关闭照明。

所述光学系统在直线位移机构上的出瞳位置，根据视觉导航敏感器对图像输出器首次成像的图像细节锐度评价函数返回值进行调节。

所述映射关系模型的获得方法为：图像输出器依次输出三幅校正图像，视觉导航敏感器依次对三幅校正图像进行成像获得三幅对照图像，控制器根据三幅校正图像与三幅对照图像之间的关系，建立映射关系模型。

建立映射关系模型的具体方法为：

首先，图像输出器输出1阶正向映射图像作为第一幅校正图像，视觉导航敏感器对1阶正向映射图像成像，获得1阶正向映射对照图像采用最大相关法匹配目标，计算从1阶正向映射图像到1阶正向映射对照图像对应目标质心之间的比例位移关系和旋转关系；

其次，图像输出器输出5阶正向映射图像作为第二幅校正图像，该5阶正向映射图像为17×17个矩形目标点图像，视觉导航敏感器对5阶正向映射图像成像，获得5阶正向映射对照图像用所述的比例位移关系和旋转关系引导5阶正向映射图像和5阶正向映射对照图像上目标点的一一对应关系，计算从5阶正向映射图像到5阶正向映射对照图像上对应目标质心之间的5阶多项式正向映射模型；

最后，图像输出器输出5阶反向映射图像作为第三幅校正图像，该5阶反向映射图像为51×51个矩形目标点图像，视觉导航敏感器对5阶反向映射图像成像，获得5阶反向映射对照图像用所述5阶多项式正向映射模型引导5阶反向映射图像和5阶反向映射对照图像上目标点的一一对应关系，计算从5阶反向映射对照图像到5阶反向映射图像上对应目标质心之间的5阶多项式反向映射模型；该5阶多项式反向映射模型作为所述映射关系模型。

视觉导航敏感器的主光轴与光学系统的主光轴安装夹角偏差小于3°，位置偏差小于5mm。

本发明的优点：本发明用于空间飞行器的视觉导航敏感器功能和动态性能试验验证，它与动力学计算机和视觉导航敏感器以快装方式构成闭环系统，用于飞行控制半物理仿真试验验证。控制器从动力学计算机接收飞行器的6个自由度数据，经过数据处理和控制系统计算得到目标在视觉导航敏感器上的坐标，利用映射关系模型得到目标在动态模拟器图像输出器上的坐标。使用多边形逼近方法生成具有子像素精度的圆形点目标，圆形目标质心位置精度达到0.01像素。光源探测器光纤通过对视觉敏感器主动光源检测，控制图像输出器图像输出的时刻和持续的时间，使动态模拟器输出图像与视觉导航敏感器成像时刻同步。本发明能够满足主动照明成像式视觉导航敏感器研制中全过程、全条件、全自动的试验和验证的需要，对视觉导航敏感器研制具有广泛的应用前景。

本发明以快装方式构建对视觉导航敏感器的试验验证环境，并与飞行控制系统构成闭环测试环境。本发明的动态模拟器可以自动校正安装误差，能够有效降低视觉导航敏感器的动态测试试验成本，对视觉导航敏感器的研制具有应用意义。

附图说明

图1是本发明所述用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器的结构示意图；

图2是光学系统的结构示意图；

图3是视觉导航敏感器内部光源的电路结构示意图；

图4是图像输出器输出的1阶正向映射图像；

图5是视觉导航敏感器对1阶正向映射图像成像，获得的1阶正向映射对照图像；

图6是图像输出器输出的5阶正向映射图像；

图7是视觉导航敏感器对5阶正向映射图像成像，获得的5阶正向映射对照图像；

图8是图像输出器输出的5阶反向映射图像；

图9是是视觉导航敏感器对5阶反向映射图像成像，获得的5阶反向映射对照图像；

图10是目标飞行器成像后像素的亮度示意图；

图11是表1中序号1的内点和外点示意图；

图12是表1中序号2的内点和外点示意图；

图13是表1中序号3的内点和外点示意图；

图14是表1中序号4的内点和外点示意图；

图15是表1中序号5的内点和外点示意图；

图16是表1中序号6的内点和外点示意图；

图17是表1中序号7的内点和外点示意图；

图18是表1中序号8的内点和外点示意图；

图19是表1中序号9的内点和外点示意图；

图20是表1中序号10的内点和外点示意图；

图21是表1中序号11的内点和外点示意图；

图22是表1中序号12的内点和外点示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，它包括高频红外激光器1、光学系统2、光源探测器光纤支架3、光源探测器光纤4、图像输出器5、直线位移机构6、光学平台7、支架8、控制器10和动力学计算机11，

直线位移机构6和支架8均设置在光学平台7上，支架8用于固定视觉导航敏感器9；高频红外激光器1、光学系统2、光源探测器光纤支架3、光源探测器光纤4和图像输出器5均设置于直线位移机构6上；光源探测器光纤支架3用于固定光源探测器光纤4，光源探测器光纤支架3位于光学系统2输出端的前端，光源探测器光纤支架3的轴线与光学系统2的轴线重合；高频红外激光器1用于为图像输出器5提供成像照明；视觉导航敏感器9的主光轴与光学系统2的主光轴相对应，动力学计算机11和控制器10通过通信接口连接；

控制器10包括敏感器照明光源探测器，该敏感器照明光源探测器通过光源探测器光纤4检测视觉导航敏感器9内部光源的启动与关闭；

动态模拟器启动阶段，图像输出器5未被照明时，控制器10接收动力学计算机11输出的目标飞行器的模拟6自由度信息D_i，并进行计算获得目标飞行器在视觉导航敏感器9像平面上的坐标，再通过映射关系模型得到目标飞行器在图像输出器5上的坐标；控制器10再根据计算获得的目标飞行器在图像输出器5上的坐标生成目标飞行器图像，并在图像输出器5上显示，因为此时图像输出器5未被照明，生成的图像不能被视觉导航敏感器9拍摄，控制器10需要控制其内部的照明光源探测器检测视觉导航敏感器9内部光源的启动时刻；控制器10通过光源探测器光纤4检测获得视觉导航敏感器9内部光源的启动时刻，同时控制高频红外激光器1启动照明，使高频红外激光器1输出的光束经过匀化后照射在图像输出器5上，光束经图像输出器5反射后经过光学系统2产生平行光束并在视觉导航敏感器9像平面上成像，控制器10同时控制图像输出器5显示目标飞行器图像的时间，实现图像输出器5的有效图像输出与视觉导航敏感器9内部光源的照明同步；然后，视觉导航敏感器9对图像输出器5的反射光束实时生成图像，并对该生成图像进行计算，获得目标飞行器的实时6自由度信息D_o，动力学计算机11将模拟6自由度信息D_i和实时6自由度信息D_o进行比较，通过计算二者的偏差评价视觉导航敏感器9的功能，并在连续工作中对视觉导航敏感器9的动态性能进行测试；最后，控制器10再通过光源探测器光纤4检测视觉导航敏感器9内部光源的关闭时刻，控制高频红外激光器1关闭照明。

所述光学系统2在直线位移机构6上的出瞳位置，根据视觉导航敏感器9对图像输出器5首次成像的图像细节锐度评价函数返回值进行调节。

所述映射关系模型的获得方法为：图像输出器5依次输出三幅校正图像，视觉导航敏感器9依次对三幅校正图像进行成像获得三幅对照图像，控制器10根据三幅校正图像与三幅对照图像之间的关系，建立映射关系模型。

建立映射关系模型的具体方法为：它采用分层次、多项式建模方法，

首先，图像输出器5输出1阶正向映射图像作为第一幅校正图像，该1阶正向映射图像为具有4个特定形状的目标图像，如图4所示，视觉导航敏感器9对1阶正向映射图像成像，获得1阶正向映射对照图像如图5所示，采用最大相关法匹配目标，计算从1阶正向映射图像到1阶正向映射对照图像对应目标质心之间的比例位移关系和旋转关系；所述比例位移关系为一阶正向映射模型；

其次，图像输出器5输出5阶正向映射图像作为第二幅校正图像，该5阶正向映射图像为17×17个矩形目标点图像，如图6所示，视觉导航敏感器9对5阶正向映射图像成像，获得5阶正向映射对照图像如图7所示，用所述的比例位移关系和旋转关系引导5阶正向映射图像和5阶正向映射对照图像上目标点的一一对应关系，计算从5阶正向映射图像到5阶正向映射对照图像上对应目标质心之间的5阶多项式正向映射模型；该5阶多项式正向映射模型包含位移、比例、旋转和畸变关系。

最后，图像输出器5输出5阶反向映射图像作为第三幅校正图像，该5阶反向映射图像为51×51个矩形目标点图像，如图8所示，视觉导航敏感器9对5阶反向映射图像成像，获得5阶反向映射对照图像用所述5阶多项式正向映射模型引导5阶反向映射图像和5阶反向映射对照图像上目标点的一一对应关系，计算从5阶反向映射对照图像到5阶反向映射图像上对应目标质心之间的5阶多项式反向映射模型，所述5阶多项式反向映射模型包含位移、比例、旋转和畸变关系；该5阶多项式反向映射模型作为所述映射关系模型。在视觉导航敏感器像平面上衡量，5阶多项式反向映射模型建立的从到上目标点质心位置偏差小于0.3个像素。

视觉导航敏感器9的主光轴与光学系统2的主光轴安装夹角偏差小于3°，位置偏差小于5mm。

本发明中，视觉导航敏感器9是被测对象，视觉导航敏感器9与光学系统2的主光轴不必须重合。控制器10内部包括工控机、图像输出器驱动器，高频红外激光器控制器、高频红外激光器驱动器、视觉导航敏感器照明光源探测器，工控机与动力学计算机11通过通信接口连接。视觉导航敏感器照明探测器输出电平直接触发高频红外激光器控制器。

光学系统2采用卡塞格林结构，如图2所示，它包括照明系统12、分光系统13、反射式显示器件14和平行光生成镜片组。光学系统2的视场角半角16°，光源探测器光纤支架3不会对光学系统2的输出光造成明显遮挡。

使用光源探测器光纤4将视觉导航敏感器的光源导出至控制器10内部的敏感器照明光源探测器。控制器10根据视觉导航敏感器9内部光源的启动和关闭使图像输出器5与视觉导航敏感器9对目标的积分同步。

图像输出器5的图像在反射式显示器件14上显示，即使在反射式显示器件14上有图像显示，但只有动态模拟器的照明系统向反射式显示器件14提供照明，动态模拟器才能向视觉导航敏感器11输出图像。

动态模拟器的照明系统包括：高频红外激光器1、激光光源控制器15、激光光源驱动器16和照明系统12。激光光源控制器15通过对视觉导航敏感器光源探测器17输出信号的检测来控制高频红外激光器1的启动和关闭，响应时间小于2us。

控制器10接收到动力学计算机发来的目标飞行器的6自由度数据，结合视觉导航敏感器的内参数，根据小孔成像模型得到目标点在视觉导航敏感器像平面上的坐标，利用5阶多项式反向映射模型得到目标在反射式显示器件14上的目标的质心位置，控制器10在该位置输出图像。图像输出器5可以为空间光调制器。

本发明中快装方式为：将动态模拟器整体安装在直线位移机构上，将视觉导航敏感器安装在动态模拟器对面的支架上。动态模拟器在其控制和数据处理主机控制下在图像显示器件上显示1阶正向映射图像，并启动动态模拟器的照明装置输出图像。视觉导航模拟器对动态模拟器输出图像成像，视觉导航敏感器将拍摄的图像发送给动力学计算机。动态模拟器通过网络接口——TCP通信协议接收动力学计算机转发的图像。动态模拟器控制和数据处理主机对视觉导航敏感器图像的清晰度进行评价。评价方法为计算图像的方差。调节直线位移机构的手柄控制动态模拟器与视觉导航敏感器之间的距离，使图像的方差取得最大值，然后锁定直线位移机构。在调节动态模拟器位置过程中，不需要关注图像的旋转、比例和畸变。这些因素将在安装误差校正过程中得到补偿。动态模拟器安装误差校正方法为：分层次目标点对应——多项式建模——获得映射关系模型。其误差成分包括：

1)光学系统2主光轴与视觉导航敏感器主光轴不重合误差；

2)图像输出器5显示平面与视觉导航敏感器成像平面之间的旋转误差；

3)图像输出器5图像分辨率与视觉导航敏感器成像的分辨率差别；

4)动态模拟器和视觉导航敏感器两光学系统的畸变误差。

其中1)和2)构成动态模拟器和视觉导航敏感器两坐标系之间的旋转和位移关系，3)为比例关系，4)为非线性关系。

本发明使用多项式建立从视觉导航敏感器成像平面到动态模拟器图像输出器之间的映射关系，即反向映射模型，当控制器通过通信接口接收到动力学计算机发来的6自由度信息后，利用小孔成像模型得到目标飞行器在视觉导航敏感器成像平面上的目标质心坐标，利用反向映射模型，得到目标质心在图像输出器显示平面上的坐标，生成并输出图像，动态模拟器拍摄图像，计算6自由度，从而实现对视觉导航敏感器功能和动态性能的测试验证，以及构成闭环仿真测试验证环境。

a)从视觉导航敏感器成像平面到图像输出器5之间的映射关系表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_V=f(x_D,y_D)\\ y_V=g(x_D,y_D)\end{array}\right.$

其中(x_V,y_V)为视觉导航敏感器成像平面上像素坐标，(x_D,y_D)为在图像输出器5上与(x_V,y_V)对应的像素点坐标，即多项式函数x_V＝f(x_D,y_D)和y_V＝g(x_D,y_D)具有相似的形式：

$\begin{array}{c}{x}_V=f(x_D,y_D)=k_1{x}_D^n+k_2{x}_D^{n-1}{y}_D+\mathrm{\Λ}+k_{p-1}{x}_D{y}_D^{n-1}+k_p{y}_D^n+\\ k_{p+1}{x}_D^{n-1}+k_{p+2}{x}_D^{n-2}{y}_D+\mathrm{\Λ}+k_{q-1}{x}_D{y}_D^{n-2}+k_q{y}_D^{n-1}+\mathrm{\Λ}+\\ k_r{x}_D+k_s{y}_D+k_t\\ y_V=g(x_D,y_D)=l_1{x}_D^n+l_2{x}_D^{n-1}{y}_D+\mathrm{\Λ}+l_{p-1}{x}_D{y}_D^{n-1}+l_p{y}_D^n+\\ l_{p+1}{x}_D^{n-1}+l_{p+2}{x}_D^{n-2}{y}_D+\mathrm{\Λ}+l_{q-1}{x}_D{y}_D^{n-2}+l_q{y}_D^{n-1}+\mathrm{\Λ}+\\ l_r{x}_D+l_s{y}_D+l_t\end{array}---\left(1\right)$

其中，K_f＝[k₁,k₂,Λ,k_p-1,k_p,k_p+1,Λ,k_q-1,k_q,Λ,k_r,k_s,k_t]^T和K_g＝[l₁,l₂,Λ,l_p-1,l_p,l_p+1,Λ,l_q-1,l_q,Λ,l_r,l_s,l_t]^T分别为x_V＝f(x_D,y_D)和y_V＝g(x_D,y_D)的参数。

b)为估计参数K_f和K_g，首先需要在视觉导航敏感器拍摄的图像I_V上的像素点(x_V,y_V)和动态模拟器在图像输出器5上生成的图像I_D上的像素点(x_D,y_D)之间建立映射关系。

c)为保证点对应的可靠性，发明了分层次匹配方法。分别在动态模拟器生成目标形状和数量不同的输出图像，视觉导航敏感器对动态模拟器的输出图像成像。

(i)首先在图像输出器5上输出1阶正向映射图像视觉导航敏感器对其成像，得图像图像由四个形状差别明显的目标组成，它们的质心分别记为i＝1,2,3,4，其中过目标1和3质心的直线与图像坐标系水平方向的夹角为0°，过目标2和4质心的直线与图像坐标系水平方向的夹角为90°。在中的目标具有相似几何形状，用模版匹配的最大相关搜索目标并计算目标的质心位置，分别记为在图像中，过目标1和3的直线与图像水平方向的夹角θ为动态模拟器和视觉导航敏感器两光学系统在滚动轴方向上的安装偏差。将图像反方向旋转θ角，目标点的质心坐标为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_V^{\′(1,i)}\\ y_V^{\′(1,i)}\end{array}\right]=R_1\left[\begin{array}{c}{x}_V^{(1,i)}\\ y_V^{(1,i)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_V^{(1,i)}\\ y_V^{(1,i)}\end{array}\right]---\left(2\right)$

在和之间建立点对应关系，用线性模型得到图像输出器5输出平面和视觉导航敏感器成像平面之间的比例和位移关系，即用4个点对应构成的8个方程组成的线性方程组估计以下模型的6个参数。

$\begin{array}{c}{x}_V^{\′(1,i)}=k_1{x}_D^{(1,i)}+k_2{y}_V^{(1,i)}+k_3\\ y_V^{\′(1,i)}=l_1{x}_D^{(1,i)}+l_2{y}_D^{(1,i)}+l_3\end{array}---\left(3\right)$

参数ki，l_i和θ并不能表现从图像输出器5图像输出平面到视觉导航敏感器成像平面之间射影变换的全部关系，其作用是在使用更多点对应建立精确模型时，对点匹配进行粗略引导，以保证点对应的准确性。

(ii)在图像输出器5上输出5阶正向映射图像视觉导航敏感器对其成像图像由17×17个矩形目标组成，目标之间的距离较大，以防止1阶和旋转模型的残差导致点对应匹配错误。在中目标的质心位置用17×17表示。用上述方法3和2得到图像输出器5上目标在视觉导航敏感器成像平面上对应目标的位置估计，在估计位置附近搜索目标并计算其质心位置，记为17×17。用5阶多项式模型建立点对应关系。5阶多项式形如式1，每个方程有25个待估计参数，共50个参数，上述方法用289个点共578个方程构成线性方程组，来估计这50个参数。

(iii)在图像输出器5上输出5阶反向映射图像视觉导航敏感器对其成像图像由51×51个矩形目标组成，目标之间的距离较小，全面覆盖视觉导航敏感器成像区域，上述正向映射模型可以保证将点对应匹配引导到视觉导航敏感器成像平面的较准确位置，不会发生错误匹配。在中目标的质心位置用51×51表示。用上述方法3和2得到图像输出器5上目标在视觉导航敏感器成像平面上对应目标的位置估计，在估计位置附近搜索目标计算其质心位置，记为51×51。用5阶多项式模型建立点对应关系。5阶多项式形如1，每个方程有25个待估计参数，共50个参数，上述方法用2601个点共5202个方程构成线性方程组，估计50个参数。

(iv)控制器10根据动力学计算机发来的6自由度数据，根据小孔成像模型得到目标在视觉导航敏感器上的坐标位置，利用上述5阶反向映射模型可以得到目标在图像输出器5上的坐标位置。

d)当动态模拟器和视觉导航敏感器两光学系统初始安装偏差角度小于5°，位移小于5mm时，使用上述发明方法校正的精度优于0.3个像素。

e)在动态模拟器和视觉导航敏感器两光学系统安装完成后仅需要使用上述发明方法进行一次安装偏差校正。

如上所述，空间视觉导航敏感器动态模拟器圆形目标图像生成方法为：

a)当航天器接近空间合作目标时，合作目标上的标志点一般为圆形或其他规则形状。

b)通过在图像输出器5显示平面上生成子像素级质心位置精度的目标来实现在视觉导航敏感器成像平面上获得精确目标位置精度的方法：

(i)一个像元的4个顶点分别表示为a₁，a₂，a₃和a₄，如果这4个点都在圆形目标内部，则称这4个点为内点。当一个像素的4个顶点都是内点时，该像素亮度区最大值255，其中1字节表示一个像素的亮度，如附图10所示。

(ii)在圆弧的边缘位置处a₁，a₂，a₃和a₄中有一个，两个或三个点为圆的内点，其余为外点，如附图10所示。如果一个像素的面积为A₀，目标与一个像素相交的面积为A，则该像素的亮度为255A/A₀。

(iii)因为像元的尺寸小，目标边缘圆弧与像元相交的面积A用三角形或梯形来近似。圆弧与像素单元相交的面积计算列于表1中。

(iv)该方法在图像输出器5图像上的目标点质心位置精度优于0.001个像素。

(v)该方法也适用于生成除圆形目标以外的其他规则形状的目标图像。

如上所述，动态模拟器的敏感器照明光源探测器为：通过光纤放置在视觉导航敏感器照明光源前方，其作用是：

a)将视觉导航敏感器照明光源导出，用于对视觉导航敏感器照明光源启动和关闭进行检测。

b)遮挡视觉导航敏感器照明光源，防止视觉导航敏感器照明光源发射的光线进入动态模拟器，在动态模拟器内部经过多次折射和反射后再进入视觉导航敏感器，影响视觉导航敏感器的成像质量。

c)用于对视觉导航敏感器照明光源检测的光纤安装在动态模拟器前端的支架中，动态模拟器的光学系统为卡塞格林结构，光纤支架对动态模拟器输出光路的遮挡面积小于4％，不会影响视觉导航敏感器的成像质量。

d)视觉导航敏感器内部光源的电路结构如图3所示，比较器输出电平作为为反射式显示器件照明的高频激光器控制器的触发信号使用。

动态模拟器的控制器通过RS422与动力学计算机通信，通信带宽为500Kb/s。动态模拟器接收动力学计算机发来的目标的6自由数据，向动力学计算机发送视觉导航敏感器照明光源的工作状态。

本发明所述的动态模拟器及能够用于利用航天器上目标标志点导航的目标的动态模拟，测试和验证视觉导航敏感器的功能和在航天器接近过程中的动态性能，用于评价视觉导航敏感器的测量精度。

本发明可以根据任务需要用于高精度视觉测量装置的测试和验证，也可以用于其他视觉导引装置的视景仿真。

具体使用过程如下：

1.将视觉导航敏感器固定在支架上，将动态模拟器安装在直线位移机构上。按电缆标识和接口标识连接动态模拟器、视觉导航敏感器和动力学计算机的电气接口。

2.用本发明所述方法输出5阶反向校正图像，接收动力学计算机发来的视觉导航敏感器拍摄的图像，监视动态模拟器控制和数据处理主机对视觉导航敏感器成像的细节锐度函数输出结果，手动调节实现位移机构，使视觉导航敏感器成像的方差取得最大值。

3.用本发明所述方法校正动态模拟器和视觉导航敏感器两光学系统的映射关系，得到映射关系模型

4.保存动态模拟器和视觉导航敏感器两光学系统的映射关系模型的参数于动态模拟器控制和数据处理主机中。

至此，对视觉导航敏感器测试验证和航天器飞行控制闭环仿真测试的准备工作完成。

5.加载视觉导航敏感器的内参数，包括焦距，像平面尺寸和像元尺寸等。

6.加载动态模拟器和视觉导航敏感器两光学系统之间映射关系模型的参数。

7.动态模拟器接收动力学计算机发来的目标飞行器6自由度数据，根据视觉导航敏感器内参数计算目标在视觉导航敏感器像平面上的坐标。

8.用本发明所述方法，使用反向映射模型将目标在视觉导航敏感器像平面上的坐标映射到动态模拟器图像显示器件上的坐标。

9.用本发明所述方法在动态模拟器图像输出器件上生成目标的图像。

10.用本发明所述方法，使动态模拟器对视觉敏感器照明装置的启动和关闭进行检测，动态模拟器的照明光源探测器根据检测结果控制高频红外激光器1的启动和关闭，使动态模拟器的输出图像和视觉导航敏感器的照明和成像同步。

11.控制器通过RS422通信接口向动力学计算机发送视觉导航敏感器照明装置的工作状态。

12.返回第6步，往复执行。

表1

Claims (5)

1.一种用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，其特征在于，它包括高频红外激光器(1)、光学系统(2)、光源探测器光纤支架(3)、光源探测器光纤(4)、图像输出器(5)、直线位移机构(6)、光学平台(7)、支架(8)、控制器(10)和动力学计算机(11)，

直线位移机构(6)和支架(8)均设置在光学平台(7)上，支架(8)用于固定视觉导航敏感器(9)；高频红外激光器(1)、光学系统(2)、光源探测器光纤支架(3)、光源探测器光纤(4)和图像输出器(5)均设置于直线位移机构(6)上；光源探测器光纤支架(3)用于固定光源探测器光纤(4)，光源探测器光纤支架(3)位于光学系统(2)输出端的前端，光源探测器光纤支架(3)的轴线与光学系统(2)的轴线重合；高频红外激光器(1)用于为图像输出器(5)提供成像照明；视觉导航敏感器(9)的主光轴与光学系统(2)的主光轴相对应，动力学计算机(11)和控制器(10)通过通信接口连接；

控制器(10)包括敏感器照明光源探测器，该敏感器照明光源探测器通过光源探测器光纤(4)检测视觉导航敏感器(9)内部光源的启动与关闭；

动态模拟器启动阶段，图像输出器(5)未被照明时，控制器(10)接收动力学计算机(11)输出的目标飞行器的模拟6自由度信息D_i，并进行计算获得目标飞行器在视觉导航敏感器(9)像平面上的坐标，再通过映射关系模型得到目标飞行器在图像输出器(5)上的坐标；控制器(10)再根据计算获得的目标飞行器在图像输出器(5)上的坐标生成目标飞行器图像，并在图像输出器(5)上显示；控制器(10)通过光源探测器光纤(4)检测获得视觉导航敏感器(9)内部光源的启动时刻，同时控制高频红外激光器(1)启动照明，使高频红外激光器(1)输出的光束经过匀化后照射在图像输出器(5)上，光束经图像输出器(5)反射后经过光学系统(2)产生平行光束并在视觉导航敏感器(9)像平面上成像，控制器(10)同时控制图像输出器(5)显示目标飞行器图像的时间，实现图像输出器(5)的有效图像输出与视觉导航敏感器(9)内部光源的照明同步；然后，视觉导航敏感器(9)对图像输出器(5)的反射光束实时生成图像，并对该生成图像进行计算，获得目标飞行器的实时6自由度信息D_o，动力学计算机(11)将模拟6自由度信息D_i和实时6自由度信息D_o进行比较，通过计算二者的偏差评价视觉导航敏感器(9)的功能，并在连续工作中对视觉导航敏感器(9)的动态性能进行测试；最后，控制器(10)再通过光源探测器光纤(4)检测视觉导航敏感器(9)内部光源的关闭时刻，控制高频红外激光器(1)关闭照明。

2.根据权利要求1所述的用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，其特征在于，所述光学系统(2)在直线位移机构(6)上的出瞳位置，根据视觉导航敏感器(9)对图像输出器(5)首次成像的图像细节锐度评价函数返回值进行调节。

3.根据权利要求2所述的用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，其特征在于，所述映射关系模型的获得方法为：图像输出器(5)依次输出三幅校正图像，视觉导航敏感器(9)依次对三幅校正图像进行成像获得三幅对照图像，控制器(10)根据三幅校正图像与三幅对照图像之间的关系，建立映射关系模型。

4.根据权利要求3所述的用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，其特征在于，建立映射关系模型的具体方法为：

首先，图像输出器(5)输出1阶正向映射图像作为第一幅校正图像，视觉导航敏感器(9)对1阶正向映射图像成像，获得1阶正向映射对照图像采用最大相关法匹配目标，计算从1阶正向映射图像到1阶正向映射对照图像对应目标质心之间的比例位移关系和旋转关系；

其次，图像输出器(5)输出5阶正向映射图像作为第二幅校正图像，该5阶正向映射图像为17×17个矩形目标点图像，视觉导航敏感器(9)对5阶正向映射图像成像，获得5阶正向映射对照图像用所述的比例位移关系和旋转关系引导5阶正向映射图像和5阶正向映射对照图像上目标点的一一对应关系，计算从5阶正向映射图像到5阶正向映射对照图像上对应目标质心之间的5阶多项式正向映射模型；

最后，图像输出器(5)输出5阶反向映射图像作为第三幅校正图像，该5阶反向映射图像为51×51个矩形目标点图像，视觉导航敏感器(9)对5阶反向映射图像成像，获得5阶反向映射对照图像用所述5阶多项式正向映射模型引导5阶反向映射图像和5阶反向映射对照图像上目标点的一一对应关系，计算从5阶反向映射对照图像到5阶反向映射图像上对应目标质心之间的5阶多项式反向映射模型；该5阶多项式反向映射模型作为所述映射关系模型。

5.根据权利要求1所述的用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，其特征在于，视觉导航敏感器(9)的主光轴与光学系统(2)的主光轴安装夹角偏差小于3°，位置偏差小于5mm。